Heterodino

Una aplicación importante y ampliamente utilizada de la técnica heterodina se encuentra en el receptor superheterodino (superhet). En un superhet típico, la señal de radiofrecuencia entrante de la antena se mezcla (heterodina) con una señal de un oscilador local (LO) para producir una señal de frecuencia fija más baja, denominada señal de frecuencia intermedia (FI). La señal FI se amplifica y filtra, y luego se aplica a un detector que extrae la señal de audio; finalmente, el audio se envía al altavoz del receptor. ^{[ 7 ]}

El receptor superheterodino presenta varias ventajas sobre los diseños de receptores anteriores. Una de ellas es la facilidad de sintonización; solo el filtro de RF y el oscilador local (LO) son sintonizados por el operador; la frecuencia intermedia (FI) de frecuencia fija se sintoniza ("alinea") en fábrica y no requiere ajustes. En diseños más antiguos, como el receptor de radiofrecuencia sintonizado (TRF), todas las etapas del receptor debían sintonizarse simultáneamente. Además, dado que los filtros de FI tienen una sintonización fija, la selectividad del receptor es la misma en toda su banda de frecuencia. Otra ventaja es que la señal de FI puede tener una frecuencia mucho menor que la señal de radio entrante, lo que permite que cada etapa del amplificador de FI proporcione mayor ganancia. En primera aproximación, un dispositivo amplificador tiene un producto ganancia-ancho de banda fijo . Si el dispositivo tiene un producto ganancia-ancho de banda de 60  MHz, puede proporcionar una ganancia de voltaje de 3 a una RF de 20  MHz o una ganancia de voltaje de 30 a una FI de 2  MHz. A una FI más baja, se necesitarían menos dispositivos de ganancia para lograr la misma ganancia. El receptor de radio regenerativo obtenía mayor ganancia de un solo dispositivo de ganancia mediante retroalimentación positiva, pero requería un ajuste preciso por parte del operador; dicho ajuste también modificaba la selectividad del receptor regenerativo. El superheterodino proporciona una ganancia elevada y estable, así como una selectividad constante, sin necesidad de ajustes complicados.

El sistema superheterodino superior sustituyó a los diseños anteriores de receptores TRF y regenerativos, y desde la década de 1930 la mayoría de los receptores de radio comerciales han sido superheterodinos.

En redes de telecomunicaciones a gran escala, como las líneas telefónicas troncales, las redes de retransmisión por microondas , los sistemas de televisión por cable y los enlaces por satélite , los enlaces de gran ancho de banda se comparten entre muchos canales de comunicación individuales mediante la heterodinación, que consiste en elevar la frecuencia de las señales individuales a diferentes frecuencias que comparten el canal. Esto se conoce como multiplexación por división de frecuencia (FDM).

Por ejemplo, un cable coaxial utilizado por un sistema de televisión por cable puede transmitir 500 canales de televisión simultáneamente, ya que a cada uno se le asigna una frecuencia diferente, evitando así interferencias entre ellos. En la fuente o cabecera del cable , los convertidores ascendentes electrónicos transforman cada canal de televisión entrante a una frecuencia nueva y más alta. Esto se logra mezclando la frecuencia de la señal de televisión, f _CH, con un oscilador local a una frecuencia mucho mayor , f _LO , creando un heterodino con la suma de f _CH  + f _LO  , que se añade al cable. En el hogar del consumidor, el decodificador de cable cuenta con un convertidor descendente que mezcla la señal entrante a la frecuencia f _CH  + f _LO  con la misma frecuencia del oscilador local, f _LO, creando la diferencia de frecuencia heterodina y convirtiendo el canal de televisión de nuevo a su frecuencia original: ( f _CH  + f _LO ) − f _LO = f _CH     . Cada canal se traslada a una frecuencia diferente y más alta. La frecuencia base original más baja de la señal se denomina banda base , mientras que el canal más alto al que se traslada se denomina banda de paso .

Muchos sistemas de cinta de vídeo analógica dependen de una subportadora de color convertida a una frecuencia inferior para grabar información de color en su ancho de banda limitado. Estos sistemas se denominan sistemas heterodinos o sistemas de color inferior . Por ejemplo, para los sistemas de vídeo NTSC , el sistema de grabación VHS (y S-VHS ) convierte la subportadora de color del estándar NTSC de 3,58  MHz a ~629  kHz. ^{[ 13 ]} La subportadora de color PAL VHS se convierte de forma similar a una frecuencia inferior (pero desde 4,43  MHz). Los sistemas U-matic de 3/4" ahora obsoletos utilizan una  subportadora heterodina de ~688 kHz para grabaciones NTSC (al igual que el Betamax de Sony , que en esencia es una versión de consumo de 1/2" del U-matic), mientras que los reproductores U-matic PAL venían en dos variedades mutuamente incompatibles, con diferentes frecuencias de subportadora, conocidas como Hi-Band y Low-Band. Otros formatos de cinta de vídeo con sistemas de color heterodino incluyen Video-8 y Hi8 . ^{[ 14 ]}

En estos casos, el sistema heterodino se utiliza para convertir ondas sinusoidales con codificación de fase en cuadratura y modulación de amplitud, provenientes de las frecuencias de transmisión, a frecuencias grabables con  un ancho de banda inferior a 1 MHz. Durante la reproducción, la información de color grabada se transforma mediante heterodina a las frecuencias de subportadora estándar para su visualización en televisores y para su intercambio con otros equipos de vídeo estándar.

Algunas grabadoras U-matic (3/4″) incorporan conectores mini-DIN de 7 pines que permiten duplicar cintas sin necesidad de conversión, al igual que algunas grabadoras industriales de VHS, S-VHS y Hi8.

El theremin , un instrumento musical electrónico , utiliza tradicionalmente el principio heterodino para producir una frecuencia de audio variable en respuesta al movimiento de las manos del músico cerca de una o más antenas, que actúan como placas de condensador. La señal de salida de un oscilador de radiofrecuencia fija se mezcla con la de otro oscilador cuya frecuencia se ve afectada por la capacitancia variable entre la antena y la mano del músico al moverse cerca de la antena de control de tono. La diferencia entre las frecuencias de ambos osciladores produce un tono en el rango audible.

El modulador de anillo es un tipo de mezclador de frecuencia incorporado en algunos sintetizadores o utilizado como un efecto de audio independiente.

La detección heterodina óptica (un área de investigación activa) es una extensión de la técnica de heterodino a frecuencias más altas (visibles). Guerra ^{[ 15 ]} (1995) publicó por primera vez los resultados de lo que denominó una "forma de heterodino óptico" en la que la luz modelada por una rejilla de paso de 50 nm iluminaba una segunda rejilla de paso de 50 nm, con las rejillas rotadas una respecto a la otra en la cantidad angular necesaria para lograr la magnificación. Aunque la longitud de onda de iluminación era de 650 nm, la rejilla de 50 nm se resolvía fácilmente. Esto demostró una mejora de casi 5 veces con respecto al límite de resolución de Abbe de 232 nm, que debería haber sido el más pequeño obtenido para la apertura numérica y la longitud de onda utilizadas. Esta imagen microscópica de superresolución mediante heterodino óptico llegó a ser conocida por muchos como microscopía de iluminación estructurada .

Además de la microscopía óptica de superresolución, la heterodina óptica podría mejorar considerablemente los moduladores ópticos , aumentando la densidad de información transmitida por las fibras ópticas . También se está aplicando en la creación de relojes atómicos más precisos mediante la medición directa de la frecuencia de un haz láser. ^{[ notas 1 ]}

Dado que las frecuencias ópticas superan con creces la capacidad de manipulación de cualquier circuito electrónico viable, todos los detectores de fotones de frecuencia visible son intrínsecamente detectores de energía, no detectores de campo eléctrico oscilante. Sin embargo, como la detección de energía es intrínsecamente una detección cuadrática , mezcla intrínsecamente cualquier frecuencia óptica presente en el detector. Por lo tanto, la detección sensible de frecuencias ópticas específicas requiere la detección heterodina óptica, en la que dos longitudes de onda de luz diferentes (cercanas) iluminan el detector de manera que la salida eléctrica oscilante corresponda a la diferencia entre sus frecuencias. Esto permite la detección de banda extremadamente estrecha (mucho más estrecha que la que puede lograr cualquier filtro de color posible), así como mediciones precisas de la fase y la frecuencia de una señal de luz con respecto a una fuente de luz de referencia, como en un vibrómetro láser Doppler .

Esta detección sensible a la fase se ha aplicado para mediciones Doppler de la velocidad del viento y para la obtención de imágenes a través de medios densos. La alta sensibilidad frente a la luz de fondo es especialmente útil para el lidar .

En la espectroscopia de efecto Kerr óptico (OKE), la heterodina óptica de la señal OKE y una pequeña parte de la señal de sonda produce una señal mixta compuesta por la señal de sonda, la señal OKE heterodina-sonda y la señal OKE homodina. Las señales de sonda y OKE homodina se pueden filtrar, dejando la señal de frecuencia heterodina para su detección.

La detección heterodina se utiliza a menudo en interferometría , pero generalmente se limita a la detección de un solo punto en lugar de la interferometría de campo amplio. Sin embargo, la interferometría heterodina de campo amplio es posible utilizando una cámara especial. ^{[ 18 ]} Mediante esta técnica, que extrae una señal de referencia de un solo píxel, es posible construir un interferómetro heterodino de campo amplio altamente estable eliminando el componente de fase de pistón causado por microfonías o vibraciones de los componentes ópticos o del objeto. ^{[ 19 ]}

Las dos señales se combinan en un dispositivo llamado mezclador . Como se vio en la sección anterior, un mezclador ideal sería un dispositivo que multiplica las dos señales. Algunos circuitos mezcladores ampliamente utilizados, como la celda de Gilbert , funcionan de esta manera, pero están limitados a frecuencias bajas. Sin embargo, cualquier componente electrónico no lineal también multiplica las señales que se le aplican, produciendo frecuencias heterodinas en su salida; por lo tanto, una variedad de componentes no lineales sirven como mezcladores. Un componente no lineal es aquel en el que la corriente o el voltaje de salida es una función no lineal de su entrada. La mayoría de los elementos de circuito en los circuitos de comunicaciones están diseñados para ser lineales . Esto significa que obedecen el principio de superposición ; si${\displaystyle \ F(v)\ }$es la salida de un elemento lineal con una entrada de${\displaystyle \ v\ }$:

${\displaystyle \ F(v_{1}+v_{2})=F(v_{1})+F(v_{2})\ }$

Entonces, si se aplican dos señales sinusoidales con frecuencias f ₁ y f ₂ a un dispositivo lineal, la salida es simplemente la suma de las salidas cuando las dos señales se aplican por separado, sin términos de producto. Por lo tanto, la función${\displaystyle F}$_{Para crear productos de mezcla , la} función debe ser no lineal. Un multiplicador perfecto solo produce productos de mezcla en las frecuencias de suma y diferencia ( f₁ ± f₂ ₎   , pero las funciones no lineales más generales producen productos de mezcla de orden superior: n ⋅ f₁ + m ⋅ f₂   para enteros n y m . Algunos diseños de mezcladores, como los mezcladores doblemente balanceados, suprimen algunos productos no deseados de alto orden, mientras que otros diseños, como los mezcladores armónicos, _aprovechan las diferencias de alto orden.

Ejemplos de componentes no lineales que se utilizan como mezcladores son los tubos de vacío y los transistores polarizados cerca del punto de corte ( clase C ), y los diodos . Los inductores de núcleo ferromagnético llevados a saturación también pueden utilizarse a frecuencias más bajas. En óptica no lineal , los cristales con características no lineales se utilizan para mezclar haces de luz láser y crear frecuencias heterodinas ópticas .

Para demostrar matemáticamente cómo un componente no lineal puede multiplicar señales y generar frecuencias heterodinas, la función no lineal${\displaystyle F}$puede expandirse en una serie de potencias ( serie de MacLaurin ):

${\displaystyle \ F(v)=\alpha _{1}v+\alpha _{2}v^{2}+\alpha _{3}v^{3}+\cdots \ }$

Para simplificar las matemáticas, los términos de orden superior por encima de α ₂ se indican mediante puntos suspensivos (${\displaystyle \ \cdots \ }$) y solo se muestran los primeros términos. Aplicando las dos ondas sinusoidales con frecuencias ω ₁ =  2 π f ₁ y ω ₂ =  2 π f ₂ a este dispositivo:

${\displaystyle \ v_{\mathsf {out}}=F{\Bigl (}A_{1}\cos(\omega _{1}t)+A_{2}\cos(\omega _{2}t){\Bigr )}\ }$

${\displaystyle \ v_{\mathsf {out}}=\alpha _{1}{\Bigl (}A_{1}\cos(\omega _{1}t)+A_{2}\cos(\omega _{2}t){\Bigr )}+\alpha _{2}{\Bigl (}A_{1}\cos(\omega _{1}t)+A_{2}\cos(\omega _{2}t){\Bigr )}^{2}+\cdots \ }$

${\displaystyle \ v_{\mathsf {out}}=\alpha _{1}{\Bigl (}A_{1}\cos(\omega _{1}t)+A_{2}\cos(\omega _{2}t){\Bigr )}+\alpha _{2}{\Bigl (}A_{1}^{2}\cos ^{2}(\omega _{1}t)+2A_{1}A_{2}\cos(\omega _{1}t)\ \cos(\omega _{2}t)+A_{2}^{2}\cos ^{2}(\omega _{2}t){\Bigr )}+\cdots \ }$

Se puede observar que el segundo término anterior contiene un producto de las dos ondas sinusoidales. Simplificando con identidades trigonométricas :

${\displaystyle {\begin{aligned}v_{\mathsf {out}}={}&\alpha _{1}{\Bigl (}A_{1}\cos(\omega _{1}t)+A_{2}\cos(\omega _{2}t){\Bigr )}\\&{}+\alpha _{2}{\Bigl (}{\tfrac {1}{2}}A_{1}^{2}[1+\cos(2\omega _{1}t)]+A_{1}A_{2}[\cos(\omega _{1}t-\omega _{2}t)+\cos(\omega _{1}t+\omega _{2}t)]+{\tfrac {1}{2}}A_{2}^{2}[1+\cos(2\omega _{2}t)]{\Bigr )}+\cdots \end{aligned}}}$

Lo que deja las dos frecuencias heterodinas entre los muchos términos:

${\displaystyle \ v_{\mathsf {out}}=\cdots +\alpha _{2}A_{1}A_{2}\cos(\omega _{1}-\omega _{2})t+\alpha _{2}A_{1}A_{2}\cos(\omega _{1}+\omega _{2})t+\cdots \ }$

junto con muchos otros términos no mostrados.

Además de los componentes con frecuencias que suman _ω₁ + ω₂ y   restan _ω₁ − ω₂ de   las dos frecuencias originales, como se muestra arriba, la salida también contiene términos sinusoidales en las frecuencias originales y términos en múltiplos de las frecuencias originales 2ω₁ , _2ω₂ , _3ω₁ , _{3ω₂ ,} etc. , denominados _{armónicos .} También contiene términos mucho más complejos en frecuencias de Mω₁ + Nω₂ , denominados productos de intermodulación . Estas frecuencias no deseadas, junto con la frecuencia heterodina no deseada , deben eliminarse de la salida del mezclador mediante un _filtro electrónico para obtener la frecuencia heterodina deseada _.

• US 1050441 , Fessenden, Reginald A. , "Aparato de señalización eléctrica", publicado el 27 de julio de 1905, emitido el 14 de enero de 1913. 
• Glinsky, Albert (2000). Theremin: Música etérea y espionaje . Urbana, IL: University of Illinois Press. ISBN 978-0-252-02582-2.
• Nahin, Paul J. (2001). La ciencia de la radio con demostraciones en Matlab y Electronics Workbench (Segunda  edición). Nueva York: Springer-Verlag, AIP Press. ISBN 978-0-387-95150-8.